I n s t I t u t f ü r B I o m e d I z I n I s c h e t e c h n I k
UltraschallUltrasoUnd
Fertigung von Ultraschallsensoren (Foto: Bernd Müller). Manufacturing of ultrasound transducers (Photo: Bernd Müller).
Dipl.-Ing. (FH) Steffen Tretbar+49 (0) 6897/[email protected]
simulation/Vorentwicklungsimulation/Advance development
Dipl.-Ing. Peter Weber+49 (0) 6897/[email protected]
Wandlerentwicklungtransducer engineering
Dipl.-Ing. Christian Degel+49 (0) 6897/[email protected]
softwareentwicklung/systemintegration / software development/system Integration
Dr. Holger Hewener+49 (0) 6897/[email protected]
elektronikentwicklungelectronics engineering
Dipl.-Ing. Christoph Risser +49 (0) 6897/[email protected]
fertigungstechnologie (Iso 9001 & 13485) / manufacturing technology (Iso 9001 & 13485)
Thomas Trautmann+49 (0) 6897/[email protected]
Dr. Marc Fournelle+49 (0) 6897/[email protected]
Dipl.-Phys. Daniel Schmitt +49 (0) 6897/[email protected]
Dipl.-Ing. Michael Ehrhardt +49 (0) 6897/[email protected]
ultraschall / ultrasound
(haupt)Abteilungen und Arbeitsgruppen / (main) departments and Working Groups
Geschäftsfeld Biomedizinischer ultraschall Business Area Biomedical ultrasound
Geschäftsfeld technischer ultraschall Business Area technical ultrasound
Geschäftsfeld sonar Business Area sonar
2
UltraschallUltrasoUnd
Biomedizinischer ultraschall
technischer ultraschall
sonar
Angebote, ergebnisse und Produkte der Arbeitsgruppen
Simulation/Vorentwicklung
Softwareentwicklung/Systemintegration
Elektronikentwicklung
Wandlerentwicklung
Fertigungstechnologie (ISO 9001 & 13485)
Ausstattung
Biomedical ultrasound
technical ultrasound
sonar
offers, results and products of the working groups
Simulation/Advance Development
Software Development/System Integration
Electronics Engineering
Transducer Engineering
Manufacturing Technology (ISO 9001 & 13485)
equipment
3
u l t r A s c h A l l
Die Hauptabteilung Ultraschall des Fraunhofer IBMT bildet mit
ihrer Struktur, beginnend bei theoretischen Betrachtungen in
applikationsspezifischen Simulationen, der Transducerentwick-
lung, über modulare Ultraschallsysteme einschließlich innovati-
ver Softwarelösungen bis hin zur Signalverarbeitung, die
gesamte Kompetenz für eigenständige Gerätesysteme zur
Lösung medizinischer, biotechnologischer und technischer
Aufgabenstellungen durchgängig ab.
Die Hauptabteilung ist mit über 40 Mitarbeitern in drei
Geschäftsfeldern und fünf hochspezialisierten Arbeitsgruppen
die größte Ultraschallforschungseinheit in Europa. Die Kompe-
tenzen beruhen auf einer mehr als 25-jährigen Erfahrung und
erlauben die Entwicklung aller Ultraschallsystemkomponenten,
beginnend bei Materialien mit speziell angepassten Eigen-
schaften, anwendungsspezifischen Ultraschallwandlern, elek-
tronischen Systemkomponenten und Verfahren, der Soft-
wareentwicklung bis hin zur Sensorfertigung und Fertigungs-
prozessentwicklung. Das Angebot reicht von Beratung und
Machbarkeitsstudien über Labormuster und Prototypentwick-
lung bis hin zur zertifizierten Produktentwicklung und der
Zulassung für klinische Anwendungen sowie der klinischen
Evaluierung. Ein industrieller Umsatzanteil von ca. 70 % zeigt
die hohe Relevanz der Hauptabteilung für eine Vielzahl von
Partnern aus der Industrie.
Neben diesem strukturellen Komplettangebot ist die Hauptab-
teilung zudem über ein weites Anwendungsspektrum aktiv. So
werden beispielsweise mit hochfrequentem Ultraschall Objekte
im Submikrometerbereich, wie einzelne biologische Zellen,
abgebildet, nichtinvasiv charakterisiert und schonend manipu-
liert. In medizinischen und präklinischen Anwendungen bieten
weltweit einzigartige Ultraschallmehrkanalsysteme und hoch-
frequente miniaturisierte Arrays neue Möglichkeiten zur hoch-
auflösenden Bildgebung, die auch im Bereich der zerstörungs-
freien Materialprüfung Einzug finden. Daneben bestätigen
laufende öffentliche Projekte, etwa zur Frühdiagnostik von
Mammakarzinomen und der Arthritis, das hohe Anwendungs-
potenzial hybrider Ansätze, wie optoakustischer Kombinati-
onssysteme.
Im klassischen Frequenzbereich der medizinischen Diagnostik
etablieren sich 2D-Arrays, die in Kombination mit der neuen
modularen Beamformergeneration einer Ultrafast-Echtzeit-
erfassung und -verarbeitung von Volumendaten erweiterte
Einsatzmöglichkeiten in der Diagnostik und Therapiekontrolle
erlauben. Vom intern gelebten Wissens- und Technologietrans-
fer und der Skalierbarkeit der verfügbaren Technologien profi-
tierten auch Weiterentwicklungen technischer Anwendungen,
wie z. B. neue bildgebende 3D-Sonarsysteme und drucktole-
rante Komponenten für den Einsatz in der Tiefsee.
Für den kundenspezifischen Transfer unserer Ultraschalltech-
nologie in weitere technische und (bio-)medizinische Anwen-
dungsbereiche, wie auch für die, bei klinischen Applikationen
notwendige Anwendernähe, verfügt die Hauptabteilung über
ausgeprägte nationale und internationale Netzwerke und ist
dort gefragter Partner einer Vielzahl von Forschungseinrichtun-
gen und industriellen Konsortien.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. (FH) Steffen Tretbar
Telefon: +49 (0) 6897/9071-300
Sekretariat
Frau Kerstin Knobe
Telefon: +49 (0) 6897/9071-301
4
u l t r A s o u n d
With its structure, starting with theoretical observations in
application-specific simulations, transducer development and
modular ultrasound systems including innovative software
solutions, right up to signal processing, the main department
Ultrasound of the Fraunhofer IBMT covers the whole range of
competences for system solutions in medical, biotechnological
and technical applications.
With more than 40 members of staff in three business areas
and five highly specialized working groups, it is the largest
ultrasound research unit in Europe. The competences of the
working groups are based on more than 25 years of experi-
ence, and allow the development of all ultrasound system
components, from materials with specially adapted properties,
to application-specific ultrasound transducers, electronic sys-
tem components and procedures, as well as software develop-
ment, right up to sensor production and process development.
Services range from consulting and feasibility studies to labo-
ratory prototypes and prototype development, right up to cer-
tified product development, certification for clinical applica-
tions as well as clinical evaluation. An industrial share in
turnover of around 70 % shows the high relevance of the
main department for a wide range of partners in industry.
Alongside this structural all-in package, the main department
is also active over a broad range of applications. High-fre-
quency ultrasound is used, for example, for scanning, non-
invasive characterization and manipulation of objects in the
sub-micrometer range such as individual biological cells. In
medical and pre-clinical applications, unique ultrasound multi-
channel systems and high-frequency miniaturized arrays offer
new possibilities for high-resolution imaging which are also
being used in non-destructive testing. In addition to this, cur-
rent public projects, for example on the early diagnosis of
mammary carcinoma and arthritis, confirm the great applica-
tion potential of hybrid approaches such as optoacoustic
techniques.
In the classical frequency range of medical diagnostics, 2D
arrays are becoming established which, in combination with
the new modular beam former generation, allow an ultrafast,
real-time registration and processing of volume data as well as
extended possibilities for use in diagnostics and therapy con-
trol. The internal knowledge and technology transfer, and the
scalability of the available technologies also led to further
developments of technical applications, for example new
imaging 3D sonar systems and pressure-tolerant components
for use in deep sea applications.
For the customer-specific transfer of our ultrasound technol-
ogy to other technical and (bio)medical applications, and to
ensure the proximity to the user necessary for clinical applica-
tions, the main department has strong national and interna-
tional networks and is a sought-after partner for a wide range
of research facilities and industrial consortia.
contact
Dipl.-Ing. (FH) Steffen Tretbar
Telephone: +49 (0) 6897/9071-300
Secretary
Ms. Kerstin Knobe
Telephone: +49 (0) 6897/9071-301
5
Optoakustisches System zur Gefäßdarstellung (Foto: Bernd Müller). Optoacoustic system to represent blood vessels (Photo: Bernd Müller).
6
Biomedizinischer UltraschallBiomedical UltrasoUnd
Projektbeispiel: IAcoBus – kombination von ultraschall
und optoakustik zur Arthritisdiagnose an
fingergelenken
Project example: IAcoBus – combination of ultrasound
and optoacoustics for arthritis diagnosis in finger
joints
7
Wie kaum eine andere Technologie erlaubt der Ultraschall eine
nichtinvasive und echtzeitfähige Bildgebung mit Auflösungen
bis in den Submillimeterbereich. Diese Skalierbarkeit in Kombi-
nation mit weiteren Attributen wie Nichtinvasivität, Freiheit
von ionisierender Strahlung und vergleichsweise geringen
Anschaffungs- und Betriebskosten macht Ultraschall zum welt-
weit am meisten genutzten diagnostischen Bildgebungsverfah-
ren. Darüber hinaus gewinnt Ultraschall auch als therapeuti-
sches Verfahren weiter an Bedeutung. Die Möglichkeit,
Gewebe auf nichtinvasive Art und Weise durch thermische
Effekte als Folge der Applikation von hochenergetischen
fokussierten Ultraschallwellen (HIFU) zu zerstören, macht
Ultraschall zu einer interessanten Alternative zu chirurgischen
Eingriffen, beispielsweise im Bereich der Tumorbehandlung.
Durch die Entwicklung des eigenen flexiblen Mehrkanal-Beam-
formers DiPhAS (Digital Phased Array System) hat die Haupt-
abteilung Ultraschall des Fraunhofer IBMT eine universell ein-
setzbare Plattform zur Verfügung, um eine Vielzahl von
diagnostischen und therapeutischen Fragestellungen zu adres-
sieren. Durch skalierbare und modulare Systemkonzepte kann
zudem ein Frequenzbereich bis zu 100 MHz bearbeitet wer-
den. Neben solch hochspezialisierten Elektroniksystemen
umfasst die Expertise der Hauptabteilung Ultraschall auch die
Entwicklung von Algorithmen und Software für moderne
Ultraschallverfahren wie »Ultrafast Imaging« oder Scherwel-
lenelastographie. Die Kombination von Ultraschall mit weite-
ren Verfahren wie Kernspintomographie oder Optoakustik
stellt einen weiteren Schwerpunkt des Angebots dar. Das Leis-
tungsspektrum wird mit der Entwicklung von Ultraschallwand-
lern und deren Fertigung nach ISO 13485 abgerundet. Somit
stellt sich die Hauptabteilung Ultraschall als kompetenter Part-
ner für vielfältige medizinische Fragestellungen von der Mach-
barkeitsstudie über die experimentelle Validierung neuer
Ansätze bis hin zu klinischen Studien oder dem Transfer in
eine Nullserienfertigung dar. Darüber hinaus bietet die am
Fraunhofer IBMT vorhandene Kombination aus Expertisen im
Bereich der zellbiologischen Forschung und der Ultraschall-
technik exzellente Voraussetzungen bei Fragestellungen aus
dem Feld der Biotechnologie oder der präklinischen Forschung
jenseits des medizinischen Kontexts.
Ansprechpartner
Dr. Marc Fournelle
Telefon: +49 (0) 6897/9071-310
Sekretariat
Frau Kerstin Knobe
Telefon: +49 (0) 6897/9071-301
B I o m e d I z I n I s c h e r u l t r A s c h A l l
8
B I o m e d I c A l u l t r A s o u n d
Like hardly any other technology, ultrasound allows non-inva-
sive and real-time imaging with resolutions down to the sub-
millimetre range. Combined with other attributes such as non-
invasiveness, freedom from ionising radiation and relatively
low procurement and operating costs, this scalability makes
ultrasound the most-used diagnostic imaging method world-
wide. In addition to this, ultrasound is becoming increasingly
important as a therapeutic method. The possibility of destroy-
ing tissue in a non-invasive manner using thermal effects
resulting from the application of high-intensity focussed ultra-
sound waves (HIFU) makes ultrasound an interesting alterna-
tive to surgical interventions, for example in the field of
tumour treatment.
Thanks to the development of its own flexible multichannel
beamformer DiPhAS (Digital Phased Array System), the main
department of Ultrasound at the Fraunhofer IBMT has a uni-
versally applicable platform to address a wide range of diag-
nostic and therapeutic questions. With scalable and modular
system concepts, it is possible to process a frequency range of
up to 100 MHz. Alongside such highly specialized electronic
systems, the expertise of the main department of Ultrasound
also includes the development of algorithms and software for
state-of-the-art ultrasound methods such as "Ultrafast Imag-
ing" or shear-wave elastography. The combination of ultra-
sound with other techniques such as magnetic resonance
imaging or optoacoustics is another research focus of the
main department of Ultrasound. The range of services further
includes the development of ultrasound transducers and their
manufacture in accordance with ISO 13485. The main depart-
ment of Ultrasound thus is a competent partner for a wide
range of medical applications from feasibility studies to the
experimental validation of new approaches, right up to clinical
studies or the transfer into a pilot batch production. In addi-
tion to this, the combination of expertises at the Fraunhofer
IBMT in the fields of cell biology and ultrasound technology
offers excellent conditions for addressing biotechnological and
preclinical research topics beyond the medical context.
contact
Dr. Marc Fournelle
Telephone: +49 (0) 6897/9071-310
Secretary
Ms. Kerstin Knobe
Telephone: +49 (0) 6897/9071-301
9
hintergrund und Vorarbeiten
Arthritis-Patienten leiden häufig unter schmerzhaften chroni-
schen Entzündungen der Gelenke. Im fortgeschrittenen Sta-
dium können sich diese Entzündungen bis in den Gelenkknor-
pel oder den Knochen ausweiten. Langfristig kann die
Krankheit zur kompletten Erstarrung der Gelenke und somit
zu dramatischen Funktionsverlusten, beispielsweise der Hände,
führen. Bisher gibt es für die Krankheit keine Heilung. Aller-
dings kann sie bei einer möglichst frühen Diagnose gut medi-
kamentös in Schach gehalten werden. Das Standardverfahren
ist – neben einer Blutuntersuchung – der Doppler-Ultraschall,
mit dem sich ein entzündungsbedingter veränderter Blutfluss
erkennen lässt. Auch durch Röntgen oder Magnetresonanzto-
mografie ist die Krankheit diagnostizierbar. Alle bildgebenden
Verfahren besitzen jedoch den Nachteil, dass sie Arthritis im
Frühstadium nur schwer erkennen.
Das Fraunhofer IBMT beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit
der optoakustischen Bildgebung. Bei dieser Methode werden
Ultraschallsignale durch Laserlicht im Gewebe erzeugt. Durch
die Kombination von optischer Signalerzeugung und akusti-
scher Detektion werden besondere Bildgebungseigenschaften
möglich, so dass Gewebestrukturen mit akustischer Auflösung
und dabei sehr hohem optischem Kontrast visualisiert werden
können. Die Methode ist besonders gut geeignet, um Blutge-
fäße unabhängig der Limitierungen des Doppler-Ultraschalls
(Auflösung, Empfindlichkeit hinsichtlich Blutfluss, Benutzerab-
hängigkeit) darzustellen. Aus diesem Grund wurde im Projekt
IACOBUS ein kombiniertes akustisches/optoakustisches Bildge-
bungssystem entwickelt, um selbst kleine Gefäße, die entzün-
dungsbedingt an Gelenken entstehen, detektieren und somit
einen Beitrag zur Früherkennung von Arthritis leisten zu kön-
nen.
lösungsansatz
Zusammen mit verschiedenen europäischen Partnern wurde
am IBMT ein neuartiges, speziell auf die dreidimensionale
(opto)akustische Bildgebung ausgelegtes System entwickelt.
Das IACOBUS-System ist ein kombinierter Tomograph, mit
dem 3D-Datensätze aller Fingergelenke in zwei komplementä-
ren Bildgebungsmodalitäten aufgenommen werden können.
Während Ultraschall zur Untersuchung von auffälligen Kno-
chen- und Knorpelstrukturen (bspw. Knorpelabbau und
-defekte) eingesetzt wird, dient die Optoakustik der hochsensi-
tiven Bildgebung von Gefäßen. Hierfür wurde am IBMT ein
Mehrkanalsystem entwickelt, das einen tomographischen
Detektor mit über 700 Sende- und Empfangselementen
ansteuern kann. Darüber hinaus wurden die von den verschie-
denen Partnern entwickelten Module am Fraunhofer IBMT zu
einem vollautomatisch scannenden Tomographen integriert.
Potenzial
Die Technik wurde bereits in ersten Probandenmessungen vali-
diert. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine hohe Empfind-
lichkeit zur Darstellung der Fingervaskularisierung gegeben ist.
Durch den automatisierten Ablauf der Datenerfassung, die
hohe Sensitivität der Optoakustik und die Abwesenheit von
typischen Doppler-Artefakten soll zudem eine objektivere
Beurteilung des Gefäßwachstums, speziell an relevanten ent-
zündeten Bereichen in und um den Gelenkspalt, ermöglicht
werden. Dies ist Gegenstand aktueller Untersuchungen und
soll demnächst auch erstmals an Patienten validiert werden.
Langfristig soll Klinikern somit eine neuartige Möglichkeit
gegeben werden, um arthritische Erkrankungen frühzeitig zu
erkennen und somit das vorhandene therapeutische Zeitfens-
ter ideal zu nutzen.
Ansprechpartner
Dr. Marc Fournelle
Telefon: +49 (0) 6897/9071-310
ProjektBeisPiel: iacoBUs – komBination von Ultra-schall Und oPtoakUstik zUr arthritis-diagnose an Fingergelenken
1 Kombiniertes akustisches/
optoakustisches Bildgebungssys-
tem zur Fingertomographie
(Foto: Bernd Müller).
2 Erste optoakustische 3D-Scans
von humanen Fingern.
B I o m e d I z I n I s c h e r u l t r A s c h A l l
10
B I o m e d I c A l u l t r A s o u n d
Background and preliminary work
Arthritis patients often suffer from painful chronic inflamma-
tions of the joints. In the advanced stages, these inflammations
can spread into the cartilage of the joints or into the bone. In
the long term, the disease can lead to a complete rigidity of the
joints and thus to dramatic loss of function, for example of the
hands. There is no known cure for this disease, but it can be
kept at a bay with medication if diagnosed at an early stage.
The standard diagnosis procedure is – alongside a blood test –
Doppler ultrasound, which is used to detect changes in the
blood flow caused by inflammation. The disease can also be
diagnosed using X-ray or magnetic resonance tomography. All
of the imaging techniques have the disadvantage that they are
not very good at detecting arthritis in the early stages.
The Fraunhofer IBMT has been working for some years now on
optoacoustic imaging. In this method, ultrasound signals are
generated in the tissue by laser light. The combination of opti-
cal signal generation and acoustic detection makes special
imaging characteristics possible, so that tissue structures can be
visualized with acoustic resolution and very high optical con-
trast. The method is especially suitable for representing blood
vessels independently of the limitations of Doppler ultrasound
(low resolution, sensitivity to blood flow, user dependency). For
this reason, a combined acoustic/optoacoustic imaging system
was developed in the IACOBUS project to detect even small ves-
sels arising in joints due to inflammation and thus make a con-
tribution towards early detection of arthritis.
solution approach
An innovative system especially designed for three-dimensional
(opto)accoustic imaging was developed at the Fraunhofer
IBMT in cooperation with various European partners. The
IACOBUS system is a combined tomography system with
which 3D data sets of all finger joints can be recorded in two
complementary imaging modalities. While ultrasound is used
to investigate unusual bone and cartilage structures (e. g. car-
tilage deterioration and defects), the optoacoustic element
provides highly sensitive imaging of the blood vessels. For this
purpose, Fraunhofer IBMT has developed a multi-channel sys-
tem capable of controlling a tomographic detector with over
700 transmitting and receiving elements. In addition to this,
the modules developed by the other partners were integrated
at the Fraunhofer IBMT to form a tomography system with
fully automated 3D scanning capabilities.
Potential
The technology has already been validated in initial tests, in
which the suitability for high sensitivity imaging of the finger
vascularization was demonstrated. Due to its automated 3D
data acquisition procedure, the high sensitivity of optoacous-
tics and the absence of typical Doppler artefacts, the IACOBUS
system is expected to allow a more objective assessment of
vessel growth, especially at the relevant inflamed areas in and
around the joint cavity. This is the subject of current investiga-
tions, and will soon be validated on patients for the first time.
In the long term, this should give clinicians a new way of
detecting arthritic disorders at an early stage so that optimum
use can be made of the available therapeutic time window.
Project examPle: iacoBUs – comBination oF Ultra-soUnd and oPtoacoUstics For arthritis diagnosis in Finger joints
1 Combined acoustic/optoacous-
tic imaging system for finger
tomography
(Photo: Bernd Müller).
2 First optoacoustic 3-D scans of
human fingers.
21
11
Miniaturisierter Ultraschallwandler. Miniaturized ultrasound transducer.
12
technischer Ultraschalltechnical UltrasoUnd
Projektbeispiel: ultraschallcharakterisierung
musealen kulturerbes
Project example: ultrasound characterization of
museum cultural heritage
13
Ultraschall, genauer die Erzeugung und Untersuchung hoch-
frequenter mechanischer Wellen, ist ein sowohl in den Lebens-
wissenschaften als auch in industriellen Anwendungen weit
verbreitetes Verfahren. Ähnlich wie man den medizinischen
Ultraschall in diagnostisch und therapeutisch differenziert,
kann auch im Bereich des technischen Ultraschalls grundsätz-
lich zwischen sensorischen und aktorischen Anwendungen
unterschieden werden. Mit Ultraschall können einerseits Mate-
rialeigenschaften untersucht, Flussgeschwindigkeiten gemes-
sen oder auch Abstände bestimmt werden. Andererseits kön-
nen mit Ultraschall Materialien durch Schweißen verbunden,
gereinigt oder homogenisiert werden. Dabei zeichnen sich
Ultraschallsysteme durch klassische Eigenschaften wie Zerstö-
rungsfreiheit, niedrige Systemkosten und den Verzicht auf
bewegliche Teile aus.
Im Gegensatz zur Medizin sind aber die Untersuchungsobjekte
wesentlich stärker in Größe, Form und Material differenziert.
Daher sind technische Ultraschallsysteme ähnlich vielfältig und
immer applikationsspezifisch auf eine bestimmte Anwendung
hin optimiert.
Die Hauptabteilung Ultraschall kann basierend auf ihren Kern-
kompetenzen und aus ihren Arbeitsgruppen heraus alle not-
wendigen Leistungen erbringen, um industrielle Anwendun-
gen des Ultraschalls für Kunden zu entwickeln und von der
Machbarkeitsuntersuchung bis zum Komplettdesign Projekte
abzuwickeln. Simulation und Vorentwicklung liefern dabei die
wesentlichen Systemparameter, die dann im Bereich der
Wandlerentwicklung, der elektronischen Systeme sowie der
Software und Algorithmen umgesetzt werden können. Letzt-
endlich bieten wir zudem die Entwicklung von Fertigungs-
techniken für den Aufbau von Wandlern und Systemen, um in
Folge konform zur ISO 9001 erste Prototypen und Nullserien
aufbauen zu können. Durch den engen Dialog zwischen bio-
medizinischen und technischen Anwendungen können Syner-
gien genutzt und somit innovative Lösungen umgesetzt wer-
den.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. Daniel Schmitt
Telefon: +49 (0) 6897/9071-320
Sekretariat
Frau Kerstin Knobe
Telefon: +49 (0) 6897/9071-301
t e c h n I s c h e r u l t r A s c h A l l
14
t e c h n I c A l u l t r A s o u n d
Ultrasound, more precisely the generation and analysis of
high-frequency mechanical waves, is a widely used technique
in the life sciences and industrial applications. Similarly to the
way we differentiate medical ultrasound in terms of diagnostic
and therapeutic, in the field of technical ultrasound a basic
distinction is made between sensor and actuator applications.
Ultrasound can be used, on the one hand, to analyze material
properties, measure flow speeds or determine distances. On
the other hand, it can also be used to join materials by weld-
ing, or for cleaning or homogenizing. Ultrasound systems are
classically distinguished by properties such as non-destructive-
ness, low system costs and the absence of moving parts.
In contrast to medical applications, the objects for analysis in
technical applications show much greater variation in terms of
size, shape and material. This is why technical ultrasound sys-
tems are similarly diverse and always optimized for a specific
application.
Based on its core competences and its various working groups,
the main department of Ultrasound can provide all the neces-
sary services to develop industrial ultrasound applications for
customers, and to accompany them from the feasibility study
right up to the complete design of projects. Simulation and
pre-development supply the main system parameters which
can then be implemented in the area of transducer develop-
ment, electronic systems as well as software and algorithms.
We also offer the development of production techniques for
the construction of transducers and systems with the aim of
building prototypes and pilot series in conformance with
ISO 9001. Due to the close dialogue between biomedical and
technical, applications, synergies can be harnessed to imple-
ment innovative solutions.
contact
Dipl.-Phys. Daniel Schmitt
Telephone: +49 (0) 6897/9071-320
Secretary
Ms. Kerstin Knobe
Telephone: +49 (0) 6897/9071-301
15
hintergrund und Vorarbeiten
Die Digitalisierung medialer Kulturgüter wie Literatur, Musik
und Film hat dazu geführt, dass über das Internet prinzipiell
jedermann einfach darauf zugreifen kann. Ein Blick in die
Depots deutscher Museen offenbart jedoch, dass viele Objekte
unseres Kulturerbes für die Öffentlichkeit unzugänglich sind.
Trotz einer Reihe von Möglichkeiten, Objekte optisch zu erfas-
sen und auf ihren Zustand hin zu analysieren, wurde dies im
Bereich des musealen Kulturerbes bislang nur unzureichend
realisiert. Ultraschall bietet hier hervorragende Methoden, um
zerstörungsfrei Informationen aus der Tiefe zu gewinnen. Bis-
herige Ansätze sind jedoch sehr zeit- und personalintensiv.
Bereits seit mehreren Jahren beschäftigt sich das Fraunhofer
IBMT gemeinsam mit musealen Partnern mit der Ultraschall-
charakterisierung von Skulpturen. Zunächst konnte in den Jah-
ren 2010 bis 2013 im Rahmen eines DBU-Projekts mit dem
Rathgen-Forschungslabor der Staatlichen Museen zu Berlin die
Anwendung klassischer diagnostischer Bildgebung gezeigt
werden. Seit 2015 werden in einem vom Vorstand der Fraun-
hofer-Gesellschaft geförderten und zusammen mit den Staatli-
chen Kunstsammlungen Dresden durchgeführten Vorhaben
Skulpturen mit verschiedenen Verfahren digitalisiert und auf
ihren Zustand hin analysiert. Das Ziel ist die Bereitstellung von
Technologien, mit denen die Oberfläche von Skulpturen mög-
lichst schnell dreidimensional digitalisiert werden kann und
Informationen über ihren Zustand, wie innerer Aufbau oder
Schäden, ermittelt werden können.
lösungsansatz
Das Fraunhofer IBMT profitiert hier in besonderer Weise vom
Technologietransfer zwischen biomedizinischem und techni-
schem Ultraschall. Ein- und mehrkanalige Elektroniken wie das
Digital Phased Array System DiPhAS können durch optimierte
Ausgangsstufen für höhere Leistungsbereiche ertüchtigt wer-
den. In der medizinischen Diagnostik etablierte Verfahren zur
Bildgebung und Tomographie werden durch neue Ansätze der
Signalverarbeitung für die Riss- und Fehlstellendetektion
erweitert. Die dazu notwendigen Ultraschallwandler werden
auf die Materialeigenschaften der Untersuchungsobjekte wie
Marmor oder Sandstein angepasst und für den dreidimensio-
nalen Ultraschall entwickelte Techniken zur automatisierten
und schnellen Positionserfassung der Sensoren genutzt.
Potenzial
Die traditionell manuell durchgeführte Ultraschalltomographie
kann je nach Skulptur mehrere Tage dauern. Dies ist auch der
variablen Oberflächengeometrie, den möglichen Wandlerposi-
tionen und der komplexen Datenanalyse geschuldet. Durch die
Entwicklung eines schnellen, automatisierbaren und denkmal-
schutzkonformen Messablaufs wäre es erstmalig möglich, grö-
ßere Arsenale von Skulpturen zu vermessen und die Ergebnisse
sowohl der Öffentlichkeit als auch Wissenschaftlern digital zur
Verfügung zu stellen.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. Daniel Schmitt
Telefon: +49 (0) 6897/9071-320
ProjektBeisPiel: UltraschallcharakterisierUng mUsealen kUltUrerBes
1 Blick in ein Teildepot der
Staatlichen Kunstsammlungen
Dresden.
2 Ultraschallprüfung an »Mer-
kur und Psyche«, Alte National-
galerie, Staatliche Museen zu
Berlin.
t e c h n I s c h e r u l t r A s c h A l l
16
t e c h n I c A l u l t r A s o u n d
Background and preliminary work
The digitalization of cultural heritage such as literature, music
and film enables easy access via the internet for everybody. A
look into the repositories of German museums reveals, how-
ever, that many objects are not accessible to the public, and,
to a limited extent only, to researchers. Although there are a
number of optical methods to digitize sculptures and analyze
their status, they have not been used extensively in the closed
environment of a museum. Ultrasound offers excellent meth-
ods to gain information non-destructively from the depths of
opaque materials, however, they are very time and personnel-
intensive.
Fraunhofer IBMT has been collaborating for several years now
with museums in ultrasonic characterization of sculptures.
Between 2010 and 2013 a project with the Rathgen Research
Laboratory of the Berlin State Museums was funded by the
DBU. Here it was possible to demonstrate the application of
classical diagnostic imaging, generating images of cracks and
flaws in marble sculptures. Since 2015 the board of the Fraun-
hofer-Gesellschaft funds a joint project of several institutes
and the Dresden State Art Collection. The aim is the consolida-
tion of technologies to capture the surface of sculptures as
quickly as possible in three dimensions, and to gain informa-
tion about their condition, inner structure or possible damage.
Approach
Fraunhofer IBMT benefits here from technology transfer
between biomedical and technical ultrasound. The power out-
put of single and multi-channel systems such as the Digital
Phased Array System DiPhAS can be extended for this special
purpose. Techniques for diagnostic imaging and tomography
established in medical applications are combined with
approaches in signal processing for the detection of cracks
and flaws. Ultrasonic single- and multi-element probes or
arrays are matched to the material properties of cultural
objects of interest such as marble or sandstone. Techniques
developed for three-dimensional ultrasound are used for the
automated and rapid position tracking of the sensors.
Potential
Depending on the sculpture, traditional manual ultrasound
tomography can take several days. This is due to variable sur-
face geometries, many manually registered transducer posi-
tions and complex data analysis. With the development of a
rapid, automated, non-destructive, ultrasonic measurement
procedure for the first time it would be possible to survey
whole inventories of sculptures and to make the results avail-
able in digital form to laymen and specialists.
contact
Dipl.-Phys. Daniel Schmitt
Telephone: +49 (0) 6897/ 9071-320
1 A look into a part of the
repository of the Staatliche
Kunstsammlungen Dresden.
2 Ultrasound examination of
"Mercury and Psyche", Alte
Nationalgalerie, Staatliche
Museen zu Berlin.
1 2
Project examPle: UltrasoUnd characterization oF mUseUm cUltUral heritage
17
Sonar-Antenne zur echtzeitfähigen 3D-Unterwasserbildgebung
(Foto: Bernd Müller).
Sonar antenna for real-time 3D underwater imaging
(Photo: Bernd Müller).
18
sonarsonar
Projektbeispiel: sensor und trägersystem für die auto
matisierte Vermessung von flachwasserarealen
Project example: sensor and carrier system for the
automated analysis of shallow water areas
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Sonar bezeichnet ein Verfahren zur Ortung und Analyse von
Strukturen unter Wasser mit Hilfe von Ultraschallsignalen.
Analog zur Radartechnologie in Luft bildet der Ultraschall
unter Wasser die effizienteste Technologie zur Erfüllung ver-
schiedenster Messaufgaben. Die Anwendungen reichen hier-
bei von der einfachen Tiefen- und Abstandsmessung über die
Kartographierung von Seeböden bis hin zur mehrdimensiona-
len Visualisierung der Umgebung in Echtzeit. Auch für die
Messung von Schichtdicken im Sediment sowie die Erkennung
und Klassifizierung von Objekten ist der Unterwasserschall ein
etabliertes und bewährtes Verfahren.
Das Geschäftsfeld Sonar bietet seinen Kunden einen umfas-
senden Zugang zu den verschiedensten Technologien im
Bereich der Unterwasserschallanwendungen. In den vergange-
nen Jahren wurde die Leistungsfähigkeit des Fraunhofer IBMT
in Projekten für Industriekunden sowie öffentlich geförderten
Projekten durch die Entwicklung verschiedenster Sonarsysteme
für unterschiedliche Anwendungen immer wieder eindrucks-
voll gezeigt.
Durch den Zugriff auf die vollständige Kompetenzkette der
Hauptabteilung Ultraschall (Simulation, Wandlerentwicklung,
Elektronikentwicklung, Softwareentwicklung, Fertigung) und
ein Netzwerk kompetenter Technologiepartner können die
unterschiedlichsten Anforderungen unserer Kunden effizient
umgesetzt werden. Mit Hilfe modellbasierter Simulationen und
erster Vorversuche können Ultraschallantennen gemäß Kun-
denspezifikationen entwickelt, aufgebaut und unter realisti-
schen Einsatzbedingungen charakterisiert werden. Hierfür
stehen unter anderem verschiedene Messbecken, eine Druck-
kammer mit einem Prüfdruck bis 600 bar sowie mehrere Was-
serfahrzeuge zur Verfügung. Die Entwicklung und Realisierung
angepasster elektronischer Systeme (einkanalig und mehrka-
nalig) zur gezielten Ansteuerung der Antennen und Auswer-
tung der empfangenen Signale zählt ebenso zu dem Angebot
des Geschäftsfelds Sonar wie die Erstellung aller dazugehöri-
ger Softwarekomponenten. Hierbei steht dem Kunden auf
Wunsch ein offener Zugang zum Elektroniksystem zur Verfü-
gung, wodurch er vollen Zugriff auf alle Daten und Signale
an jeder Stelle der Signalverarbeitungskette erhält. Durch die
hohe Flexibilität im Zugriff auf alle Systemkomponenten
(Antenne, Elektroniksystem, Algorithmen und Software) ent-
wickeln und realisieren wir für unsere Kunden die effizientes-
ten Komplettlösungen.
Eine nach ISO 9001 zertifizierte Entwicklung von Fertigungs-
technologien rundet das Angebot ab und ermöglicht damit die
Realisierung von Prototypen und Nullserien bis hin zur Serien-
fertigung. Darüber hinaus steht dem Kunden ein umfassendes
Trainingsangebot zum Transfer aller Entwicklungs- und Ferti-
gungsergebnisse zur Verfügung.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Michael Ehrhardt
Telefon: +49 (0) 6897/9071-330
Sekretariat
Frau Kerstin Knobe
Telefon: +49 (0) 6897/9071-301
s o n A r
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s o n A r
Sonar constitutes a technique for localization and analysis of
structures under water with the aid of ultrasound signals.
Analogously with radar technology in air, ultrasound repre-
sents the most efficient technology for the fulfilment of a wide
range of measurement tasks under water. Here, the applica-
tions range from simple depth and distance measurements,
through cartography of the seabed, right up to multidimen-
sional visualization of the environment in real time. Sonar is
also a tried and tested method for the measurement of layer
thicknesses in sediment and for the recognition and classifica-
tion of objects.
The business area of Sonar offers its customers comprehensive
access to the widest possible range in the field of sonar appli-
cations. In recent years the Fraunhofer IBMT has impressively
demonstrated its capabilities in projects for industrial custom-
ers as well as publicly funded projects with the development
of a wide range of sonar systems for various applications.
Thanks to access to the entire competence chain of the main
department of Ultrasound (simulation, transducer develop-
ment, electronics development, software development, pro-
duction) and a network of experienced technology partners,
the most diverse requirements of our customers can be effi-
ciently implemented. With the aid of model-based simulations
and initial preliminary trials, ultrasound antennas with cus-
tomer-specific characteristics can be developed, built and char-
acterized under realistic application conditions. For this pur-
pose, among other things, we are equipped with various
measurement tanks, a pressure chamber with a test pressure
up to 600 bar as well as several water vehicles. The develop-
ment and realization of adapted electronic systems (single-
channel and multi-channel) for the excitation of the antennas
and the evaluation of the received signals are as much part of
the offer of the business field of Sonar as the creation of all
necessary software components. On request, the customer
can have open access to the electronic system, which means
he has full access to all data and signals at every point of the
signal processing chain. Thanks to the high degree of flexibility
and the access to all system components (antenna, electronic
system, algorithms and software), we develop and realize the
most efficient all-round solutions for our customers.
The development of production technologies certified in
accordance with ISO 9001 rounds off our offer and allows the
realization of prototypes and pilot series right up to serial pro-
duction. In addition to this, the customer also has access to a
comprehensive range of training courses for the transfer of all
development and production results.
contact
Dipl.-Ing. Michael Ehrhardt
Telephone: +49 (0) 6897/9071-330
Secretary
Ms. Kerstin Knobe
Telephone: +49 (0) 6897/9071-301
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motivation
Die Datenbank der Brandenburgischen Technischen Universität
Cottbus für stehende Gewässer verzeichnet über 12 200
Standgewässer in Deutschland. Der größte Teil dieser Gewäs-
ser ist jedoch nahezu unerforscht. Bodenstruktur, Objekte auf
oder im Sediment sind meist nicht untersucht. Neben der riesi-
gen Zahl an Binnengewässern gibt es entlang der deutschen
Küsten viele Flachwasser- und Hafenbereiche, für die die glei-
che, unbefriedigende Situation vorliegt. Eine regelmäßige,
hochauflösende und automatisierte Vermessung dieser
Gewässer ist derzeit nicht möglich. Die heutige Vermessung
erfolgt nur an den allerwichtigsten Gewässern und basiert
meist auf dem Einsatz kleinerer Boote, die sehr personalinten-
siv und in einem eher groben Raster Messungen durchführen.
Wellen, Dünung, Strömung und Wind sind ständig einwir-
kende Störgrößen, die das Vermessungsboot relativ zu einem
Messpunkt ständig bewegen und korrigiert werden müssen.
Werden aus einer Vielzahl von derart korrigierten Messpunk-
ten Karten oder Bilder zusammengesetzt, ergeben sich Verzer-
rungen, die in der Gesamtheit nur schwer zu korrigieren sind.
Der Bedarf an hochaufgelösten, detailreichen Messungen, die
von einem Sensor und Messsystem automatisiert durchgeführt
werden können, ist immens. Die Anwendungen reichen von
der Kartierung, der Inspektion von Unterwasserinstallationen
und Brückenpfeilern, Gewässerzustandskontrollen, Sicherheits-
fragestellungen, der Vermisstensuche bis hin zur Archäologie.
Die vorhandenen Systeme zur automatisierten und hochge-
nauen Durchführung solch vielfältiger Messungen sind jedoch
nur unzureichend.
Projektbeschreibung
Zur Lösung der vorgenannten Problemstellungen wird eine
geeignete Sensorlösung mit mobiler Trägerplattformsensorik
entwickelt. Das mobile Messsystem (der sogenannte »Hydro-
crawler«) soll durch seine Eigenschaften die idealen Einsatzbe-
dingungen für die Ultraschallsensorik bereitstellen. Dies wird
durch eine automatisierte Steuerung auf Basis von phasenkor-
rigierten Differential-GPS-Daten mit hoher Manövrierbarkeit
und freien Fahrmanövern, Rotation um die zentrale Achse,
Fahrten in alle Richtungen bei freier Ausrichtung des Sensor-
trägers (ohne vorhergehendes Umpositionieren), Einsetzbarkeit
in Flachwasserbereichen und frei definierbaren Messarealen
erreicht.
Das vorgenannte Messsystem bildet insbesondere im vom
BMBF geförderten Projekt »HyMoBio-Strategie« die technolo-
gische Basis für die genaue Vermessung der Bodentopogra-
phie und der oberen Sedimentstruktur in speziell definierten
Bereichen des Bodensees (siehe auch www.hymobiostrategie.
de).
Wichtige Teilschritte auf dem Weg der Entwicklung sind z. B.
die Entwicklung einer Quadro-Pod-Messplattform, die Pro-
grammierung einer geeigneten Fahrzeugsoftware inklusive
Missionsplanung und Steuerung sowie die Entwicklung der
benötigten Spezialsonare. Geplant sind hier die Entwicklung
eines hochauflösenden Fächer-Echolots sowie die Entwicklung
eines Sub-Bottom-Profilers für bodennahe Sedimentschichten.
ProjektBeisPiel: sensor- Und trägersystem Für die aUtomatisierte vermessUng von Flachwasser-arealen
1 Trägerplattform
»Hydrocrawler«.
s o n A r
22
s o n A r
motivation
The database for standing waters of the Brandenburg Univer-
sity of Technology Cottbus records more than 12,200 standing
water bodies in Germany. Most of these waters, however, are
largely uninvestigated in terms of the bottom structure or
objects resting on the bottom or buried in the sediment.
Alongside the vast number of inland waters, there are many
shallow water and harbour areas along the German coast to
which the same unsatisfactory situation applies. A regular,
high-resolution and automated survey of these waters is cur-
rently not possible. The present surveying is only carried out
on the most important waters, and is usually based on the use
of small boats which are quite personnel-intensive and only
carry out surveys sporadically. Waves, dunes, current and wind
are a constant interference, making the survey boat move con-
stantly relative to the measurement point so that corrections
have to be made. If maps or images are composed of lots of
such corrected measurements points, this leads to distortions
which are difficult to correct in their totality.
The need for high-resolution, high-detail measurements that
can be carried out by an automated sensor and measurement
system is enormous. The applications range from mapping,
the inspection of underwater installations and bridge piles to
water quality controls, safety issues, searching for missing per-
sons, right up to archaeology. The available systems for auto-
mated and high-precision execution of such diverse measure-
ments are inadequate.
Project description
A suitable sensor solution with mobile carrier platform sensors
is being developed to solve the abovementioned problems.
The characteristics of the mobile measurement system (the so-
called "Hydrocrawler") will provide ideal operating conditions
for the ultrasound sensor technology. This is achieved by an
automated control system on the basis of phase-corrected dif-
ferential GPS data with high manoeuvrability and free drive
manoeuvres, rotation around the central axis, movement in all
directions with free alignment of the sensor carrier (without
prior repositioning), usability in flat water areas and freely
defined measurement areas.
In the BMBF-funded project "HyMoBio Strategy", the above-
mentioned measurement system forms the technological basis
for the precise surveying of the ground topography and the
upper sediment structure in especially defined areas of Lake
Constance (see also www.hymobiostrategie.de).
Important steps on the way towards the development include,
for example, the development of a Quadro-Pod measurement
platform, the programming of suitable vehicle software includ-
ing mission planning and control, as well as the development
of the necessary special sonars. There are plans here for the
development of a high-resolution multibeam echosounder as
well as the development of a sub-bottom profiler for sediment
layers near the bottom.
1 Carrier platform
"Hydrocrawler".
1
Project examPle: sensor and carrier system For the aUtomated analysis oF shallow water areas
23
Nach Abschluss der Technologieentwicklung werden die Mes-
sungen an den definierten Arealen des Bodensees durchge-
führt und die Daten aufbereitet. Anschließend werden die
Ergebnisse zur wissenschaftlichen Ausarbeitung den Partnern
des Verbundprojekts wie z. B. dem Limnologischen Institut der
Universität Konstanz, der Arbeitsstelle für Feuchtboden- und
Unterwasserarchäologie des Landesamts für Denkmalpflege
Baden-Württemberg oder dem Institut für Seenforschung der
Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz
Baden-Württemberg zur Verfügung gestellt.
Wichtige Komponenten und Systemeigenschaften im Über-
blick:
– Fächer-Echolot (MBES) zur Bestimmung des Bodenprofils
– Sub-Bottom-Profiler zur Bestimmung der Sedimentschich-
tung
– Multiparametersonde zur Messung hydrographischer Para-
meter (PH, gelöster Sauerstoff, Trübung, Temperatur, Leitfä-
higkeit)
– Unterwasserkamera
– hohe Lagestabilität und Manövrierfähigkeit
– Fahrtrichtung und Sensorausrichtung unabhängig voneinan-
der frei wählbar
– Mission frei programmierbar (z. B. auch Dreh- und Kreisfahr-
manöver)
– hohe Positionsgenauigkeit (durch 3-fach-GPS-Antenne mit
RTK (Genauigkeit +/- 3 cm))
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Michael Ehrhardt
Telefon: +49 6897/9071-330
2 Sonar-Inspektion einer Stau-
mauer: Mäanderfahrt auf einer
Fläche 60 x 30 m, 3D-rekonstruiert;
Messtiefe bis 11 m; Einzel-Schicht-
darstellung in klein abgebildet.
3 Kompakter Multibeam-
Echosounder zur Flächenvermes-
sung unter Wasser.
2
s o n A r
24
s o n A r
When the technology is developed, the measurements will be
carried out in the defined areas of Lake Constance and the
data processed accordingly. Then the results will be made
available for scientific research to the partners in the joint pro-
ject, e. g. the Limnology Institute of the University of Con-
stance, the working group for wetland and submarine archae-
ology of the State Office for the Preservation of Monuments
Baden-Württemberg, or the Institute for Limnology of the
Regional Institute for Environment, Surveys and Wildlife Pro-
tection Baden-Württemberg.
Important components and system characteristics:
– multibeam echosounder (MBES) to determine the bottom
profile
– sub-bottom profiler to determine the sedimentation
– multi-parameter probe for measurement of hydrographic
parameters (PH, dissolved oxygen, haze, temperature, con-
ductivity)
– underwater camera
– high stability and manoeuvrability
– drive direction and sensor alignment freely selectable and
independent
– mission freely programmable (e. g. including rotating and
circling manoeuvres)
– high positional accuracy (due to 3x GPS antenna with RTK
(accuracy +/- 3 cm))
contact
Dipl-Ing. Michael Ehrhardt
Telephone: +49 6897/9071-330
3
2 Sonar inspection of a dam wall:
meander measurement of an area
of about 60 x 30 m, image shows
3D reconstruction; measurement
depth up to 11 m; single B-Scan
slice shown as pictogram.
3 Compact Multibeam
Echosounder for underwater
surface measurement.
25
simulation/Vorentwicklung
– Computerunterstützte Entwicklung, Test und Optimierung
– Schallfeldberechnungen– FEM-basierte Bauteileoptimierung– Hydrodynamik und gekoppelte Strömungs-
Akustik-Berechnungen– Machbarkeitsstudien (Proof of Concept)– Marktstudien– Patentrecherchen
AnsprechpartnerDipl.-Ing. Peter WeberTelefon: +49 (0) 6897/[email protected]
softwareentwicklung/systemintegration
Softwareentwicklung– Entwicklung von Softwarekonzepten und Bib-
liotheken für alle Frequenzbereiche von Sonar über klassische medizinische Bildgebung bis hin zur hochfrequenten Ultraschallmikroskopie– Steuerung von Ultraschallhardware– Signalverarbeitung und Parameterextraktion – Visualisierungstechniken für 2D- und
3D-Bildgebung und -verarbeitung– von Firmware auf Geräten über mobile Apps
bis hin zu klassischen Desktopanwendungen stand-alone oder im Netzwerk
– Prüfung von Softwaresystemen, entwickelt nach klassischen oder agilen Entwicklungspro-zessen, sowohl als Medizinprodukte oder ent-sprechend industriellen Anforderungen
Systemintegration– Anwendungsintegration: von den Einzelkom-
ponenten zum Gesamtsystem– Kombination von unterschiedlichster Software
einzeln und mit Elektronik und Mechanik– Entwicklung kundenspezifischer Software– multimodale und hybride Bildgebung (parallele
MR+US, US+Optik wie Optoakustik, etc.)– funktionelle Bildgebung– Prüfung von Systemen entsprechend Medizin-
produktegesetz oder industriellen Normen
AnsprechpartnerDr. Holger Hewener Telefon: +49 (0) 6897/[email protected]
elektronikentwicklung
– Mehrkanalige Ultraschallsysteme für Forschung und Anwendungsentwicklung (OEM) mit bis zu 256 Kanälen basierend auf einem modula-ren, skalierbaren Plattformkonzept mit offe-nem Zugriff auf alle Steuerparameter und alle Ebenen der Signalverarbeitungskette 1. Niederfrequenter Bereich (Anwendungen im Frequenzbereich 400 kHz-3 MHz)z. B. kompakte, mehrkanalige, bildgebende Sonarsysteme, Ultraschallsysteme für Luft-schallanwendungen2. Diagnostischer Bereich (Anwendungen im Frequenzbereich 700 kHz-20 MHz)z. B. MR-kompatible Ultraschallsysteme, Sys-teme für 3D-/4D-Bildgebung mit Matrix-Array-Wandlern, Ultraschallsysteme zur Echtzeit-The-rapiekontrolle3. Hochfrequenter Bereich (Anwendungen im Frequenzbereich 20 MHz-80 MHz)z. B. Ultraschallsysteme für präklinische Anwendungen, Systeme für zerstörungsfreie Materialprüfung/Prozesskontrolle
– mobile mehrkanalige Ultraschallsysteme für Bildgebung und messtechnische Anwendun-gen mit Fokus auf kostengünstiger Implemen-tierung
– einkanalige Ultraschallsysteme für individuelle Messaufgaben im Bereich des technischen und medizinischen Ultraschalls (z. B. Füllstandsmes-sung, Abstandsmessung/Einparkhilfe, Transmis-sionsmessung/Rissdetektion, Sonoporation, Durchflussmessung)
– analoge und digitale Schaltungsentwicklung sowie hardwarenahe Programmierung basie-rend auf FPGAs und PLDs für kundenspezifi-sche Ultraschallanwendungen
AnsprechpartnerDipl.-Ing. Christoph RisserTelefon: +49 (0) 6897/[email protected]
Wandlerentwicklung
– Entwicklung und Optimierung von Ultraschall-sensoren
– medizinische Phased-, Linear- oder Curved-Arrays
– Matrix-Arrays für die volumetrische Diagnostik
– therapeutische und kombinierte diagnostisch/therapeutische Sensoren
– miniaturisierte und katheterbasierte Einele-mentwandler und Arrays
– Sensoren für die Durchflussmessung in Gasen und Flüssigkeiten (z. B. auch Clamp-on)
– Füllstands- oder Abstandssensoriken (z. B. Level-Metering im Tank, Einparkhilfen)
– Sonarsensoren und Antennen (z. B. Echolote, Sidescan, Hindernisvermeidung)
– volumetrische Sonarsensoren (basierend auf Mills-Cross-Technik oder Full-Matrix-Arrays)
– Sonderlösungen für die sonarbasierte Objekterkennung (aktiv/passiv)
– Sensoren für die Materialprüfung– hochbreitbandige Sensoren für Spezialanwen-
dungen (z. B. Lackdicken-Messung)– druckbeständige/druckneutrale Ultraschall-
wandler (z. B. für die Tiefsee und Bohrlöcher)– Leistungsschallwandler– nieder- und hochfrequente Reinigungssysteme
(z. B. Megaschallreinigung)– hochfrequente fokussierende Ultraschallwand-
ler (80 MHz bis 1 GHz) und Ultraschallarrays– schwingungstechnische Messungen bis 1,2
GHzBeratungsdienstleistungen im Bereich Sensorent-wicklung
AnsprechpartnerDipl.-Ing. Christian DegelTelefon: +49 (0) 6897/[email protected]
fertigungstechnologie (Iso 9001 & 13485)
– Entwicklung und Optimierung von Sensorferti-gungstechnologie
– Entwicklung und Realisierung von Fertigungs-hilfsmitteln
– Herstellung von Prototyp- und Nullserien– piezoelektrische Composites (bis 20 MHz)– Beratungsdienstleistungen im Bereich Sensor-
fertigungstechnik
AnsprechpartnerThomas Trautmann Telefon: +49 (0) 6897/[email protected]
angeBote, ergeBnisse Und ProdUkte der arBeitsgrUPPen
u l t r A s c h A l l
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simulation/Advance development
– computer-aided development, testing and optimization
– sound field calculations– FEM-based component optimization– hydrodynamics and coupled flow-acoustic-
calculations– feasibility studies (proof of concept)– market studies– patent searches
contactDipl.-Ing. Peter WeberTelephone: +49 (0) 6897/[email protected]
software development/system Integration
Software Development– development of software concepts and
libraries for all frequency ranges of sonar from classical medical imaging to high-frequency ultrasound microscopy– control of ultrasonic hardware– signal processing and parameter extraction– visualization techniques for 2D and 3D imag-
ing and processing– from firmware on devices via mobile apps to
traditional desktop applications stand-alone or in a network
– testing of software systems, developed by clas-sical or agile development processes, both as medical devices or in accordance with indus-trial requirements
System Integration– application integration: from individual compo-
nents to complete systems– combination of different software individually
and with electronics and mechanics– development of customized software solutions– multimodal and hybrid imaging (parallel
MR+US, US+optics as optoacoustics, ...)– functional imaging– testing of complete systems both as medical
devices or in accordance with industrial requirements
contactDr. Holger HewenerTelephone: +49 (0) 6897/[email protected]
electronics engineering
– multi-channel ultrasound systems for research and application development (OEM) set up based on a modular scalable platform concept including up to 256 channels with open access to all control parameters and all levels of the signal processing chain1. Low frequency range (applications in the frequency range 400 kHz-3 MHz) e. g. compact, multi-beam, imaging sonar sys-tems, ultrasound systems for airborne sound applications2. Diagnostic area (applications in the fre-quency range 700 kH-20 MHz) e. g. MR-compatible ultrasound systems, sys-tems for 3D/4D imaging using matrix array transducers, ultrasound systems for real-time-therapy control3. High frequency range (applications in the frequency range 20 MHz-80 MHz)e. g. ultrasound systems for preclinical applica-tions, ultrasound systems for non-destructive material testing and process control
– portable multi-channel ultrasound systems for imaging and measurement applications with the focus on cost-effective implementations
– single-channel ultrasound systems for applica-tion-specific measurement tasks in the field of technical and medical ultrasound (e. g. filling level measurement, distance measurement, transmission measurement/crack detection, flow measurement)
– analogue and digital circuit developments as well as FPGA- and PLD-based firmware pro-gramming for customer-specific ultrasound applications
contactDipl.-Ing. Christoph RisserTelephone: +49 (0) 6897/[email protected]
transducer engineering
– development and optimization of ultrasound transducers
– medical phased, linear or curved arrays– matrix arrays for volumetric diagnostics– therapeutic and combined diagnostic/thera-
peutic transducers
– miniaturized and catheter-based single-ele-ment transducers and arrays
– sensors for flow measurement in gases and fluids (e. g. also clamp-on)
– level or distance sensors (e. g. level metering in a tank, parking assistance)
– sonar sensors and antennae (e. g. echosound-ers, sidescan sonar systems, obstacle avoid-ance)
– volumetric sonar sensors (based on Mills-Cross technology or full-matrix arrays)
– special solutions for sonar-based object recog-nition (active/passive)
– sensors for material analysis– high-bandwidth transducers for special appli-
cations (e. g. paint-thickness measurement)– pressure-resistant/pressure-neutral ultrasound
transducers (e. g. for deep sea and bore hole analysis)
– high-power ultrasonic transducers– low and high-frequency cleaning system
(e. g. megasonic cleaning)– high-frequency, focused ultrasound transduc-
ers (80 MHz to 1 GHz) and ultrasound arrays– acoustic measurements up to 1.2 GHzconsulting services in the area of sensor develop-ment
contactDipl.-Ing. Christian DegelTelephone: +49 (0) 6897/[email protected]
manufacturing technology (Iso 9001 & 13485)
– development and optimization of transducer manufacturing technologies
– development and realization of production means
– manufacturing of prototype and pre-produc-tion series
– piezoelectric composites (up to 20 MHz)– consulting services in the area of sensor manu-
facturing technologies
contactThomas Trautmann Telephone: +49 (0) 6897/[email protected]
oFFers, resUlts and ProdUcts oF the working groUPs
u l t r A s o u n d
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softwareentwicklung
– Entwicklungsumgebungen für professionelle Softwareentwicklung von komplexen Systemen von Messtechnik bis zur App-Entwicklung
– Entwicklungssysteme für industrielle Bildverar-beitung (Lage, Position, OCR, Patternmatching)
– IT-Infrastruktur für normenkonforme Soft-wareentwicklung
– kommerzielle Softwarewerkzeuge für Analyse und Verarbeitung von Bildgebungsdaten (z. B. Amira) und Signalverarbeitung (z. B. Matlab)
– Simulationssoftware: ANSYS, PZFlex, Piezo-CAD, Wave 2000 Pro
– Software für Hydrodynamiksimulationen (ANSYS FLOTRAN und CFX)
– Software PiezoCAD zum Design von Ultra-schallwandlern auf Basis des KLM-Modells
– eigene Software SCALP zur Schallfeldberech-nung und EVOLUTI zur Optimierung auf Basis genetischer Algorithmen
elektronikentwicklung
– Einkanalige Systeme und Beamformersysteme für die Entwicklung von Beamformingverfah-ren und Bildgebung
– Bestückungstechnik: SMD-Feinpitchbestückung– computerunterstützte Entwicklungsumgebung
für Elektronikboards (ORCAD)– DSP- und Microcontroller-Entwicklungsumge-
bung (Mikrochip, Motorola)– FPGA-Entwicklungsumgebung– Mikrolötstation, Schwall-Lötanlage, Reflow-
Lötanlage
messtechnik
– Akustische Mikroskop-Systeme SASAM– biologisches und chemisches Labor– Fotolithographie, Mask Aligner– Labormessstände für Durchflüsse (Speckle Tra-
cking, Laufzeitdifferenz; flüssig: 7 m/s, DN 50/100/200; Gas: variabel bis 30 m/s, DN 200)
– Laserinterferometermessplatz: UHF Vibrometer 1,2 GHz (Polytec)
– Lasersysteme unterschiedlicher Wellenlängen für optoakustische Anwendungen
– 8-Kanal-Laufzeitdifferenz-Messsystem für Luft-schallanwendungen
– Luftschallmessplatz– Klimakammermessplatz– Kryostatmessplatz für Sensorcharakterisierung
und Zero-Flow-Messungen– Messtechnik: Pygnometer, 3D-Schallfeld-Scan-
ner, Impedanzmessplatz, Rauheitsmessplatz, Kontaktwinkelmessgerät
– optoakustisches Labor– Plasma-Reinigungsanlage– elektromagnetische und optische Positions-
erfassungssysteme– Prüfstand für statische und dynamische Druck-
belastbarkeit– Rasterelektronenmikroskop mit EDX– Rastersondenmikroskope (AFM, STM, MFM)– Reinraum, PCD, PECVD– Sputteranlagen– Ultraschall-Messbecken (0,8 m x 1,5 m x 0,9 m
und 6 m x 8 m x 6 m)– Präzisionsläpp- und Poliermaschinen (Wolters)
fertigungstechnologie
– CNC-Diamantkreissägen (Disco DAD 321)– CNC-Flach- und Profilschleifmaschine (Amada
Meister G3)– CNC-Laserschneid-Schweißeinrichtung
(Trumpf)– CNC-Mikro-Bohr-Fräs-Schleifmaschine (Kern),
AB: 220 x 160 x 200 mm, schwenkbarer NC-Rundtisch, fünfachsig
– Fertigungsanlage für Ultraschallsensoren in kleiner und mittlerer Stückzahl
– Läppmaschine– 5-Becken-Ultraschall-Reinigungsanlage– vollparametrische 3D-CAD-Systeme (Solid-
Works)
aUsstattUng
u l t r A s c h A l l
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software development
– development environments for professional software development of complex systems from measurement technology to App- development
– development systems for industrial image processing (orientation, position, OCR, pattern matching)
– IT infrastructure for standard-compliant software development
– commercial software tools for analysis and pro-cessing of image data (e. g. Amira) and signal processing (e. g. Matlab)
– simulation software: ANSYS, PZFlex, PiezoCAD, Wave 2000 Pro
– software for hydrodynamic simulations (ANSYS-FLOTRAN and CFX)
– software PiezoCAD for the design of ultra-sound transducers on the basis of the KLM model
– own software SCALP for the calculation of the sound fields and EVOLUTI for optimization on the basis of genetic algorithms
electronics engineering
– single channel systems and beamformer sys-tems for the development of beamforming technologies and imaging
– assembly technology: SMD fine pitch assembly– computer-aided development environment for
electronic boards (ORCAD)– DSP and microcontroller development environ-
ment (microchip, Motorola)– FPGA development environment – micro-soldering station, wave soldering system,
reflow soldering system
measurement technology
– acoustic microscope systems SASAM– biological and chemical laboratory– photolithography, mask aligner– laboratory measurement stations for flows
(Speckle Tracking, propagation time difference; fluid: 7 m/s, DN 50/100/200; gas: variable up to 30 m/s, DN 200)
– laser interferometer measurement station: UHF vibrometer, 1,2 GHz (Polytec)
– laser systems of various wavelengths for optoacoustic applications
– 8-channel propagation time difference measurement system for airborne sound applications
– airborne sound measurement station– climate chamber measurement station– cryostat measurement station for sensor char-
acterization and zero-flow measurements– measurement technology: pygnometer, 3D
sound field scanner, impedance measurement station, surface quality measurement station, contact angle measurement device
– optoacoustic laboratory– plasma cleaning facility– electromagnetic and optical position detection
systems– test stand for static and dynamic pressure
resistance– scanning electron microscope with EDX.– scanning probe microscopes (AFM, STM, MFM)– clean room, PCD, PECVD– sputter systems– ultrasound measurement basin (0,8 m x 1,5 m
x 0,9 m and 6 m x 8 m x 6 m)– precision lapping and polishing machines
(Wolters)
manufacturing technology
– CNC diamond saws (Disco DAD 321)– CNC flat and profile grinding machine (Amada
Meister G3)– CNC laser cutting and welding centre (Trumpf)– CNC micro drilling-milling-grinding machine
(Kern), WR: 220 x 160 x 200 mm, swivelling NC turntable, five-axis
– production system for ultrasound sensors in small and medium quantities
– lapping machine– 5-basin ultrasound cleaning facility– fully parametrical 3D CAD systems (Solid-
Works)
eqUiPment
u l t r A s o u n d
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sulzbach: mit dem Autonavigationssystem: Industriestraße 5, 66280 sulzbach
Autobahn A 6: aus Richtung Saarbrücken sowie Autobahn A 6: aus Richtung Mannheim (Flug-hafen Frankfurt)Ausfahrt St. Ingbert-West, Hinweisschild: Rich-tung Sulzbach (ca. 6 km) folgen, vor Sulzbach Abfahrt »Industriegebiet Neuweiler« nehmen, dem Hinweisschild »Fraunhofer-Institut« folgend unter der Brücke durchfahren, nach ca. 50 m erste Möglichkeit rechts in die »Industriestraße« einbiegen, Hinweisschild »Fraunhofer-Institut«, nach 10 m rechts abbiegen, rechter Hand einbie-gen in Joseph-von-Fraunhofer-Weg, flaches, schwarzes Gebäude, erste Einfahrt rechts durch blaues Doppelflügeltor.Autobahn A 1: aus Norden kommend, die A 1 (aus Richtung Trier) zum Saarbrücker Autobahn-kreuz nehmen; auf der A 8 in Richtung Karls-ruhe/Mannheim bis zum Autobahnkreuz Neun-kirchen und dort in Richtung Saarbrücken auf die A 6; dann wie oben (Autobahn A 6).Autobahn A 8: von der A 8 kommend (aus Rich-tung Karlsruhe) bis zum Neunkircher Kreuz und dort in Richtung Saarbrücken auf die A 6; dann wie oben (Autobahn A 6).Autobahn A 4: von der A 4 (aus Richtung Metz oder Straßburg) kommend, am Saarbrücker Autobahnkreuz Richtung Mannheim auf die A 6; dann wie oben (Autobahn A 6).
sulzbach: mit der Bahn
Ungefähr 15 Minuten mit dem Taxi vom Saar-brücker Hauptbahnhof.
sulzbach: mit dem flugzeug
Ungefähr 15 Minuten mit dem Taxi vom Flug-hafen Saar brücken-Ensheim.
sulzbach: By carnavigation system: Industriestrasse 5, 66280 sulzbach
Autobahn A 6: from the direction of Saar-brücken and Autobahn A 6: from the direction of Mannheim (Frankfurt Airport)
Exit St. Ingbert-West, sign: proceed in the direc-tion of Sulzbach (ca. 6 km), before Sulzbach take the exit "Industriegebiet Neuweiler", follow the sign "Fraunhofer-Institut" and drive under the bridge, after ca. 50 m take the first possible right into "Industriestraße", sign "Fraunhofer- Institut", after 10 m turn right into Joseph-von-Fraunhofer-Weg, flat, black building, first entrance on the right through the blue, double-wing gate.Autobahn A 1: coming from the north, take the A 1 (from the direction of Trier) to the Saar-brücken motorway junction; take the A 8 in the direction of Karlsruhe/Mannheim to motorway junction Neunkirchen and then take the A 6 in the direction of Saarbrücken. Then as above (Autobahn A 6).Autobahn A 8: coming from the A 8 (from the direction of Karlsruhe) drive to the Neunkirchen junction and then take the A 6 in the direction of Saarbrücken. Then as above (Autobahn A 6).Autobahn A 4: coming from the A 4 (from the direction of Metz or Strasburg), join the A 6 at Saarbrücken motorway junction in the direction of Mannheim. Then as above (Autobahn A 6).
sulzbach: By rail
Approximately 15 minutes by taxi from Saarbrücken central railway station.
sulzbach: By air
5 to 10 minutes by taxi from Saarbrücken- Ensheim Airport.
st. Ingbert: mit dem Auto
Autobahn A 6: Ausfahrt St. Ingbert-West, links abbiegen in Richtung Flughafen Saarbrücken-Ensheim, nach der Ampel links abbiegen in Rich-tung St. Ingbert-Süd (Ensheimer Straße), im Kreisverkehr geradeaus, nach ca. 1,5 km liegt das Institut auf der linken Seite.Autobahn A 1: bis Autobahnkreuz Saarbrücken, weiter Richtung Karlsruhe/Mannheim auf der A 8 bis Autobahnkreuz Neunkirchen, weiter in Richtung Saarbrücken auf der A 6.
Autobahn A 8: bis Autobahnkreuz Neunkirchen, weiter in Richtung Saarbrücken auf der A 6.Autobahn A 4: bis Autobahndreieck Saarbrücken, weiter in Richtung Mannheim auf der A 6.
st. Ingbert: mit der Bahn
Ab Saarbrücken Hauptbahnhof mit dem Taxi ca. 15 Minuten; mit dem Bahnbus oder mit dem Zug bis Bahnhof St. Ingbert, von dort mit dem Taxi ca. 1 Minute oder zu Fuß ca. 5 Minuten
st. Ingbert: mit dem flugzeug
Ab Flughafen Saarbrücken-Ensheim mit dem Taxi 5-10 Minuten.
st. Ingbert: By car
Autobahn A 6: exit St. Ingbert-West, turn left in the direction of Saarbrücken-Ensheim Airport, after the traffic lights left in the direction of St. Ingbert-Süd (Ensheimer Strasse), straight through the roundabout, the Institute is on the left after around 1.5 km. Autobahn A 1: drive to Autobahn junction Saar-brücken, then continue in the direction of Karlsruhe/Mannheim on the A 8 to Autobahn junction Neunkirchen, then in the direction of Saarbrücken on the A 6.Autobahn A 8: drive to Autobahn junction Neunkirchen, then in the direction of Saar-brücken on the A 6. Autobahn A 4: to Autobahn junction Saar-brücken, then in the direction of Mannheim on the A 6.
st. Ingbert: By rail
From Saarbrücken-Hauptbahnhof (main station): either 15 minutes by taxi, or first by bus or train to St. Ingbert station, then 1 minute by taxi or approx. 5 minutes on foot.
st. Ingbert: By air
5 to 10 minutes by taxi from Saarbrücken-Ensheim Airport (SCN).
u l t r A s c h A l l
anFahrt standorte sUlzBach / st. ingBert how to Find Us in sUlzBach / st. ingBert
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u l t r A s o u n d
üBersicht üBer die standorte des iBmt overview oF iBmt locations
hauptsitz sulzbach
Joseph-von-Fraunhofer-Weg 1
66280 Sulzbach
Tel.: 06897/9071-0
Fax: 06897/9071-490
https://www.ibmt.fraunhofer.de
Standortleitung: Prof. Dr. Hagen von Briesen
standort st. Ingbert
Ensheimer Straße 48
66386 St. Ingbert
Tel.: 06897/9071-0
Fax: 06897/9071-490
Standortleitung: Prof. Dr. Klaus-Peter Hoffmann
Außenstelle münster/Wolbeck
Mendelstraße 11
48149 Münster
Tel.: 0251/980-2500
Fax: 0251/980-2509
Standortleitung: Dr. Dominik Lermen
kontaktbüro Berlin
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Leitung: Prof. Dr. Heiko Zimmermann
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Site Manager: Prof. Dr. Hagen von Briesen
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fraunhoferInstitut
für Biomedizinische technik (IBmt)
fraunhofer Institute
for Biomedical engineering (IBmt)
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leitung / head of Institute
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Telefon: +49 (0) 6897/9071-102
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